Page 36 - 摩擦学学报2025年第9期

1290 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

0.45 0.4 8
(a) 0 1 3 (b) Average friction coefficient
9
0.40 5 11 7 Steel fiber length (mm) 0.3 Average wear rate 6
Friction coefficient 0.30 Average friction coefficient 0.2 4 Average wear rate/[10 −5 mm 3 /(N·m)]
0.35

0.25
0.20 0.1 2
0.15 0.0 0
0 300 600 900 1 200 1 500 1 800 0 1 3 5 7 9 11
Sliding time/s Steel fiber length/mm

Fig. 7 (a) Friction coefficient; (b) average friction coefficient and average wear rate
图 7 (a) 摩擦系数随时间变化；(b) 平均摩擦系数和平均磨损率

抛光表面的光学显微照片，图8(b)和(d)所示分别为含 的统计分析可知，随钢纤维长度增加，磨损表面Bi元
长1 mm和7 mm镀铜钢纤维材料的磨损表面的SEM照 素和S元素的含量均呈现出先增大后轻微减小趋势.
片. 图8(e)、(f)和(g)分别为不含镀铜钢纤维(0 mm)、含 在钢纤维长度为7 mm时，Bi和S元素的含量相对最高
长1 mm镀铜钢纤维和含长7 mm镀铜钢纤维的FeS/ 且分布也较为均匀，这表明在此条件下，钢纤维平铺
Cu-Bi材料摩擦对偶件表面的光学显微镜照片. 由图8(a) 在基体中不仅能为复合材料提供强有力的机械支撑，
和(c)可看出，钢纤维长度较短(1 mm)时，其以规则颗 提升材料力学性能，并且也有利于固体润滑剂在磨损
粒形式存在材料中，长度增加后镀铜钢纤维平铺在材 表面的留存和铺展. 因此，材料显示出较好的减摩耐
料中. 由图8(b)和(d)可看出，滑动摩擦试验后，以颗粒 磨[图7(b)]以及抗黏着性能[图8(d1)]. 但是，过长的钢
存在材料中的钢纤维在磨损表面呈现出凸起状[图8(b)]， 纤维与对偶件形成大面积接触时反而不利于复合材
同时在对偶件表面产生了较深和较宽的犁沟[图8(f)]. 料中固体润滑剂在磨损表面的富集，其润滑作用减
这是由于短钢纤维以硬颗粒存在材料中，滑动摩擦过 弱，材料磨损表面产生的犁沟磨损加重[图8(f1)]，导致
程中与对偶件接触，引发对偶件严重损伤. 相反，较长 材料摩擦系数增大，磨损率升高.
的镀铜钢纤维平铺在材料中[图8(c)]，与自润滑材料形 结合以上分析可知，随钢纤维长度增加，材料的
成一体，经滑动摩擦后仍平铺在材料中，随材料整体 硬度、冲击韧性和压溃强度都得到了提高，即材料力
的磨损而磨损[图8(d)]，不会对对偶件造成严重损伤， 学性能增强，使得润滑相FeS不易以磨屑形式被排出，
因此，镀铜钢纤维长度为7 mm [图8(g)]和0 mm [图8(e)] 在摩擦界面充当润滑作用，提高材料的减摩和耐磨性
[24]
的材料对偶件表面犁沟磨损均较图8(f)得到明显减弱. 能. 由于材料相对对偶件45钢质软 ，在滑动磨损过
为了进一步分析钢纤维长度对材料摩擦系数和 程中不可避免地发生黏着磨损，为了分析材料力学性
磨损率的影响，图8(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1)和(f1)所 能的提升与摩擦学性能之间的关系，可利用Archard
示分别为含长1、3、5、7、9、11 mm镀铜钢纤维的 提出的黏着磨损速度模型进行计算 [25-26] ，其模型如
FeS/Cu-Bi材料磨损表面SEM照片. 图9(a~f)所示为对 图10所示. 选取摩擦副之间的黏着点上以a为半径的
2
应图8(a1~f1)的FeS/Cu-Bi材料磨损表面的EDS照片. 圆, 则每个黏着点的接触面积为πa . 当复合材料表面
钢纤维长度为1 mm时，其以硬颗粒形式存在于复合 处于塑性接触状态时，每个黏着点支承的载荷为

材料中，滑动摩擦导致材料表面产生较严重的犁沟磨 2
W= πa σ s (1)
损. 随着钢纤维长度增加，材料表面犁沟磨损得以减
式中：σ 为相对较软的自润滑材料受压屈服极限. 假设
s
弱[图8(b1)]. 较长的钢纤维平铺在材料中，滑动时钢
黏着点沿球面破坏，即磨屑为半球形，于是，当滑动位
纤维沿长度方向与45钢形成接触，因此材料犁沟磨损 3
移为2a时磨损体积为2πa /3，体积磨损速率可表示为
减弱[图8(c1)]. 钢纤维长度为7 mm时，材料仅仅发生
2πa 3
轻微犁沟和黏着磨损. 当钢纤维长度继续增加，材料 dV W
= 3 = (2)
摩擦表面的犁沟磨损加重，钢纤维长度为11 mm时犁 ds 2a 3σ s
沟磨损尤为显著. 结合图9中磨损表面Bi元素和S元素 从式(2)也可以看出，材料强度提高会导致磨损速